西门子6ES7214-2AD23-0XB8产品规格

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引言
     电子时间引信系统从火控计算单元提取的射弹飞行时间数据需要实时可靠地传送给编程装置，为保证时间信息传送的准确、及时，我们采用了CAN总线进行时间信息的传输。CAN总线具有突出的可靠性和实时性，适合在复杂的战场环境下工作，基于CAN现场总线的时间信息数据接口，可充分保证时间信息传送，并为电子时间引信系统提供标准的数据接口，便于应用在其它防空武器系统的嵌入式改造或未来数字化防空武器系统中。
CAN现场总线概述
     CAN(Controller Area Network)总线诞生和发展于汽车工业自动控制领域，是两线制“多主对等”总线型拓扑网络，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，是唯一有的现场总线(Field Bus)，目前发展到CAN2.0B规范，应用范围极为广泛。
     CAN总线用“显性(Dominant)”和“隐性(Recessive)”两个互补的逻辑值表示“0”和“1”，总线接口上同时发送显性和隐性位时，总线值是显性，实现逻辑与。CAN总线的位速率与其传输距离有关，传输距离在40m以内速率大可达1Mbps，大传输距离10km上的位速率为5kbps。根据ISO/OSI参考模型，CAN的层次划分为：(1)数据链路层(Data bbbb Layer)，包括逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)；(2)物理层(Physical Layer)。
     CAN总线的信息以几个不同的固定格式的报文发送，报文传输有四种不同类型的帧：数据帧(Data Frame)、远程帧(Remote Frame)、错误帧(Error Frame)和过载帧(Overload Frame)，数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧2种不同格式，不同之处在于标识符域的长度分别为11位和29位。CAN的帧(Frame)由不同的位域(Bit Field)组成，以重要的数据帧为例介绍帧的结构，数据帧包括7个不同的位域：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结尾(如图1所示)。

为了获得安全的数据发送，CAN总线采取强有力的措施来进行错误检测和处理。报文传输过程中有5种错误类型：位错误、填充错误、CRC错误、格式错误和应答错误，对于故障的界定有3种状态：“错误激活”、“错误认可”和“总线关闭”。

智能节点接口技术
     CAN总线采用总线型网络拓扑，实际应用中也可采用具有支线的“树型拓扑”。节点是CAN网络上信息的起点和终点，智能节点是指具有微处理器的节点，它在可靠性、兼容性、信息处理能力等方面具有优势。
     智能节点硬件设计包括CAN控制芯片与MCU的连接和CAN控制芯片与PC机的连接。典型的智能节点结构为“MCU+CAN控制器+CAN驱动器”，具有CAN模块的微控制器（MCU）将前2者合二为一，如PIC18F458、MC68HC908GZ16、P8Xc591，操作使用更加方便。PC机上的智能节点设计多采用CAN适配卡，由ISA接口、双口RAM、嵌入式微处理器、CAN控制器、CAN驱动器组成。智能节点软件设计的核心内容为CAN节点初始化、报文发送和报文接收，还包括CAN总线错误处理、总线关闭处理、接收滤波处理、波特率参数设置和自动检测以及CAN总线通信距离和节点数的计算。
采用PIC18F458微控制器设计的智能节点如图2所示。

 时间提取单元和编程装置的设计实现
     时间提取单元和编程装置是电子时间引信系统的重要组成部分，两者协调工作完成射弹飞行时间的隔离提取、数据共享和编码发送，设计实现上采用“功能电路+数字接口”的方案，作为节点连接在CAN总线上。两者的机械结构设计要充分考虑与现有武器装备的机械兼容性和电磁兼容性，不能影响现有装备的结构和工作状态。

时间提取单元的设计实现
     时间提取单元的任务功能是从武器系统火控计算单元中提取射弹飞行时间，并将其发送到CAN总线上。其电路结构如图3所示，主要由射弹飞行时间数字量隔离提取电路、射弹飞行时间模拟量隔离提取电路、A/D转换电路、控制信号(开关量)隔离采集电路、数字接口、隔离型DC/DC电源模块等部份组成，可以提取16位的射弹飞行时间数字量或1路射弹飞行时间模拟量、8位控制信号，输出为CAN总线信号，使用双绞线在1km的范围内得到高达70kbps的传输速率。光电隔离电路采用双光耦构成电流串联负反馈电路实现模拟信号的线性隔离传输，即用两个相同型号的光耦输入端串联，组成差分负反馈，来补偿光耦的非线性电流传输系数，通常使用双光耦芯片可以得到较好的一致性，使电路传输特性更好。典型的双光耦芯片(如HCNR200)内部结构及其应用电路如图4所示。A/D转换使用ADC0809芯片完成，隔离型DC/DC电压变换器选用爱立信的电源模块PKV3211PI，其输入电压范围为9V~36V，输出电压5V，输出功率2.5W，模块化设计，小体积砖形封装，可以满足要求。 
     视火控计算单元和提取位置的不同，时间提取单元的机械结构设计可采用转接头或总线卡等的不同形式。对于向量式瞄准具，将时间提取单元电路板与射弹飞行时间求取电路板通过接插件直接连接，共同放置于安装盒内；从火控计算单元内部连接件上提取数据时，使用相同型号的连接件(包括公头和母头)作为附加装置，内部将两端对应位置连线，从连线上提取所需数据信号给光耦电路；火控计算机数据总线提取数据，将电路设计成接口卡的形式，直接插在计算机主板空余的插槽上。

编程装置的设计实现
        编程装置的任务功能是从CAN总线上获取射弹飞行时间数据，进行数据编码，并通过射频模块转换为射频信号发送。其电路结构如图5所示，由数字接口、微控制器、无线射频模块和监控电路组成。微控制器AT89S51为电路的核心，完成数据接收、数据编码、射频模块控制、数据串行发送等诸多功能，大大简化了电路结构；监控电路采用X25045，监控微控制器的工作状态，防止程序“跑飞”；数字接口与时间提取单元相同；无线射频模块采用原厂提供的标准电路板(设置为发送状态)，其天线为腐蚀在PCB板上的铜线，在天线外2~20m的范围形成射频编程窗口。

        编程装置电路板安装在长方体形盒里，外部通过接插件分别与CAN总线(两芯插头和插座)和无线射频模块(7芯的插头和插座)相连接。整个编程装置盒固定于火炮炮箱上方，距炮口约2.5m的位置，且将射频模块PCB板有天线一侧朝向管身方向，以便获得较好的射频性能

1　引　言　　
　　在香烟过滤嘴生产线上，包含纸加热、预加热、缝喷嘴、胶水容器温度等6路温度信号。它们对温度的要求很高，要求温度保持在140℃左右的恒温状态。实践表明，常规的PID控制器因为超调量过大、易受环境的影响，不能满足实际要求。经过不断研究，人们提出了自校正PID控制器和基于模糊推理的自校正PID控制器设计方法。前一种方法需要在线辨识过程模型，计算量大；后一种方法的参数可校正范围过小。在该文中提出了一种新型PID控制算法。该算法计算量小，易于软件实现，在实践中取得了良好的控制效果。

2　系统介绍　　
　　系统由1台上位机和3台下位机组成。上位机使用KINGVIEW软件进行编程，实现了实时数据更新、历史曲线和实时曲线显示、报警、数据存储、查询和备份等功能。下位机使用了SIEMENS公司的S7－300 PLC。S7－300采用了模块化设计，在一块机架上可安装各种模块。每块机架板上多可安装8个模块。若多于8个模块，就必须扩展另一块机架板。两块机架板之间的通讯通过安装通讯模块来实现。3台下位机分别控制装盘机HCF、过滤嘴成型机KDF2和开松上胶机AF2。总的控制点数为200多点。
　　Step7的PLC网络有以下几种：接口网络（MPI）、工业以太网、PROFIBUS现场总线网、TCP／IP协议网络等。该系统采用了PROFIBUS－DP现场总线网。现场的PLC把分散的数据采集上来，并通过PROFIBUS现场总线送到上位机。

3　新型PID控制算法的原理

　　图3—1中：yr是给定值，u是控制量，e是偏差，y是输出值。
图3—2中：a、b为所允许的大误差范围。根据采样时刻的公式：

　　在每个采样时刻，采集到信号yk后，求出ek及ek。若控制信号是模拟量，根据系统控制原理和模糊控制方法，通过适当加大控制力度或减小控制力度（或提前增加阻尼），使系统输出量趋于给定值。在这里，控制对象是6路电烙铁，它只有上电和断电两种情况，故控制量是数字信号。当反馈值远大于给定值时，就停止加热。这时，输出值开始下降。当降到一定值时，为防止输出进一步下降，向相反方向偏离给定值，就及时开始加热。当反馈值远小于给定值时，就开始加热。这时，输出值开始上升。当上升到一定值时，为防止输出进一步上升，向相反方向偏离给定值，就及时停止加热。通过这种方法，可以使输出值在短时间内达到给定值。具体处理方法如下（见图3—2）：
　　（1）在t1和t4阶段：若ek＜－a，则停止加热；若ek≥－a，即误差在允许范围内，此时，又分两种情况讨论：
　　a）当在t1阶段时，则开始加热。在这里提前加热，是为了防止输出量继续下降，反方向偏离给定，从而使输出维持在误差允许范围内；
b）当在t4阶段时，则维持原状态。
　　（2）在t2和t3阶段：若ek≥b，则开始加热；若ek＜b，即误差在允许范围内，此时，又分两种情况讨论：
　　a）当在t3阶段时，则停止加热。在这里提前停止加热，是为了防止输出量继续上升，反方向偏离给定，从而使输出维持在误差允许范围内；
b）当在t2阶段时，则维持原状态。

4　新型PID控制算法在S7－300 PLC中的软件实现　　
　　在S7－300 PLC中，使用了梯形图编程方法。在库中有3个与PID调节器相关的功能块FB41、FB42和FB43。FB41用于模拟PID调节器，FB42用于数字PID调节器，FB43是脉冲发生器，用于输出量为脉冲的PID调节器。在这里，因为输入量是温度信号，是模拟量，而输出又是开关量，所以调用了功能块FB41和FB43。新型PID算法的流程图如图4—1所示。

5　结束语　　
　　（1）该文使用的新型PID控制算法简单有效，易于软件实现，在工程应用中取得了显著效果。
　　（2）使用了PROFIBUS－DP现场总线技术，使得布线简单，数据传输速率高。
　　（3）使用了S7－300 PLC，使得系统工作稳定，抗干扰能力强，而且维修方便。

　0前言

　　龙门埋弧焊机以其优异的性能，在钢结构、起重设备等的焊接中得到了广泛的应用。目前国内在工业领域广泛应用的龙门埋弧焊成套设备多为模拟控制，将PLC应用于龙门埋弧焊控制系统中，克服了传统分立器件和小型继电器触点容易损坏的缺陷，可以使系统更稳定。对此，设计了一种新型控制电路，对传统继电器的控制系统进行了改进，使龙门埋弧焊成套设备的控制水平有了进一步提高。

　　1硬件系统设计

　　1.1龙门埋弧焊机的结构

　　龙门埋弧焊成套设备主要由焊接电源、龙门架行走机构、送丝机构、配套焊剂回收装置和电气控制箱等组成。焊接电源采用ZX5—1000A直流弧焊电源。龙门架行走机构由行走电机、减速器、离合器、行走轮组成，龙门架的行走采用电机纵向双边减速驱动，变频器控制，无级调速。送丝机构由送丝电机、减速器、送丝轮、压紧轮等组成，用来驱动焊丝的送进与回抽。焊剂回收系统由空压机、吸尘器、吸剂管及管件组成。

　　1.2龙门埋弧焊控制系统的设计原理

　　龙门埋弧焊PLC控制系统电路逻辑功能设计是以PIE为核心，对外围功能控制信号进行检测和信号处理，根据程序要求进行相应驱动。系统原理框图如图1所示。

　　1.3龙门架电机驱动电路

　　龙门架行走的驱动电机采用交流电动机(型号MTPl57MTD97)采用变频器控制调节焊接速度，并采用外引电位器连接，方便操作。操作人员可以通过调节控制面板上的焊接速度电位器，任意选择焊接速度。龙门架的回程速度可以通过PLC设定，确定龙门架回程速度大小，提高工作效率。电路结构如图2所示。

　　1.4送丝电路

　　送丝电机在工作中需要进行送丝和抽丝的快速转换，选用带有励磁的直流电机，通过改变励磁电流方向实现直流电机的正转(送丝)，反转(抽丝)。送丝电机采用调速电路调节电枢电压来实现速度控制，电路组成如图3所示。

　　主电路采用直流斩波式开关电路，由功率场效应管VF4、功率二极管VD2、电容器C2、电阻R15、电流检测电阻R16组成。控制电路使用专用PWM脉宽调制芯片UC3524和其他一些元器件。工作原理为：直流电源Supply加到主电路上，功率场效应管VF4根据控制电路输出脉宽信号进行导通或截止，在电机两端得到频率固定且脉宽可调的脉动直流信号，实现直流电机的调速。电路中由PWM芯片处理给定信号和电机电压反馈信号，进行PI控制调节，再由PWM芯片输出到驱动功率场效应管VF4的PWM驱动信号。调速电路中采用直流电机电动势的电压反馈和电流截止负反馈两种方式。为了更准确地检测直流电机转速，电压反馈信号是在功率场效应管截止时进行采样，此时电压信号是直流电机的电动势，可较准确地反映直流电机转速。同时为使电路更加安全可靠，采用电流截止负反馈方式(CL信号)，确保电路在起动和工作中电枢不会出现过电流。调速电路起动信号由PWM芯片的软起动端(SD)控制，控制较为简单方便。

　　1.5励磁切换电路

　　引弧成功率是埋弧焊焊接性能的一个重要指标。为可靠引弧，设计中通常增加反抽丝引弧功能，即引弧过程中控制系统检测电弧电压。当电弧电压低于某电压时，送丝电机就会反向运转将焊丝提升(抽丝)，电弧电压高于此电压(引弧成功)时，送丝电机正常运转。通常采用继电器切换电枢电流方向的方法来控制送丝电机的正转与反转，由于电枢电流较大，继电器会经常出现故障。为了克服这一问题，采用改变励磁电流方向来实现送丝和抽丝状态转换，电流切换使用功率开关，实现了无触点工作，电路原理如图4所示。

　　励磁切换电路由VDMOS(VF201～VF204)4只功率器件组成桥式变流电路，工作电源加在桥式电路两端，通过控制VF20l、VF204导通，VF202、VF203截止;或Vk202、VF203导通，VF201、VF204截止，切换励磁电流的方向，实现送丝电机的正反转(送丝和抽丝)。采用功率器件切换励磁电流方向可以避免励磁电路的零磁通现象。

　　2 PLC硬件系统设计

2.1 PLC输入/输出点数计算和选型

　　选择PLC型号时一般应考虑到系统需要满足的功能，输入/输出点数，内存容量及成本等因素。本系统共有10个基本输入按键，按常规接入将需要10点PLC输入，PLC输出部分控制共有6路基本输出。基于设计要求和输入/输出点数计算以及控制成本等因素，本系统选用三菱FX2N一32MR作为系统控制核心，控制容量达到10 k步。

　　3 PLC软件设计

　　龙门埋弧焊控制系统程序设计包括调试和联制转换、点送速度方向控制、焊接起动引弧控制、焊接停止收弧控制等。龙门埋弧焊机得电后，核心控制器件PLC电路将根据外部设置运行某种程序。此时用户可以通过开关进行各种操作调整焊接参数，选择焊接方式、引弧规范、收弧规范以及龙门架行走方向。在焊接之前可进行各种调试，如将焊丝进行向下、向上输送以满足焊接要求。焊接起动后，根据外部设置进行引弧程序，引弧成功后，系统又将根据用户选择的各种参数进入工作状态。若检测到焊接停止信号PLC则进入收弧控制程序并结束焊接。程序流程如图5所示。

　　4 结论

　　采用PLC控制的龙门埋弧焊控制电路，具有电路简单，-丁作可靠，性能稳定，故障率低等优点。